[发明专利]高铁二系垂向及端部纵向减振器阻尼系数的协同优化方法

权利要求书

1.高铁二系垂向及端部纵向减振器阻尼系数的协同优化方法，其具体设计步骤如下：

(1)建立高铁整车6自由度行驶垂向振动微分方程：

根据高铁的单节车体的质量m₂、点头转动惯量J_2φ；每台转向架构架的质量m₁、点头转动惯量J_1φ；前转向架一系前悬架的垂向等效刚度K_1zff、垂向等效阻尼C_d1ff，前转向架一系后悬架的垂向等效刚度K_1zfr、垂向等效阻尼C_d1fr；后转向架一系前悬架的垂向等效刚度K_1zrf、垂向等效阻尼C_d1rf，后转向架一系后悬架的垂向等效刚度K_1zrr、垂向等效阻尼C_d1rr；前转向架二系悬置的垂向等效刚度K_2zf；后转向架二系悬置的垂向等效刚度K_2zr；待设计前转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数C_d2f、待设计后转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数C_d2r；待设计车体端部纵向减振器的等效阻尼系数C₃；车体上端端部纵向减振器到车体质心的高度h₁，车体下端端部纵向减振器到车体质心的高度h₂，车辆定距的一半a，转向架轴距的一半a₀；分别以前、后转向架构架及车体的质心O₁、O₂、O₃为坐标原点；以前转向架构架的浮沉位移z_1f、点头位移φ_1f，后转向架构架的浮沉位移z_1r、点头位移φ_1r及车体的浮沉位移z₂、点头位移φ₂为坐标；以前转向架前、后车轮及后转向架前、后车轮处的轨道高低不平顺输入z₀₁(t)、z₀₂(t)、z₀₃(t)、z₀₄(t)为输入激励，其中，t为时间变量；建立高铁整车6自由度行驶垂向振动微分方程，即：

m2z··2+Cd2f(z·2-z·1f-aφ·2)+Cd2r(z·2-z·1r-aφ·2)+K2zf(z2-z1f-aφ2)+K2zr(z2-z1f-aφ2)=0J2φφ··2-Cd2fa(z·2-z·1f-aφ·2)+Cd2ra(z·2-z·1r+aφ·2)-K2zfa(z2-z1f-aφ2)+C3h1φ·2+C3h2φ·2+K2zra(z2-z1r+aφ2)=0m1z··1f-Cd2f(z·2-z·1f-aφ·2)-K2zf(z2-z1f-aφ2)+Cd1ff[z·1f-z·01(t)-a0φ·1f]+Cd1fr[z·1f-z·02(t)+a0φ·1f]+K1zff[z1f-z01(t)-a0φ1f]+K1zfr[z1f-z02(t)+a0φ1f]=0J1φφ··1f-Cd1ffa0[z·1f-z·01(t)-a0φ·1f]+Cd1fra0[z·1f-z·02(t)+a0φ·1f]-K1zffa0[z1f-z01(t)-a0φ1f]+K1zfra0[z1f-z02(t)+a0φ1f]=0m1z··1r-Cd2r(z·2-z·1r+aφ·2)-K2zr(z2-z1r+aφ2)+Cd1rf[z·1r-z·03(t)-a0φ·1r]+Cd1rr[z·1r-z·04(t)+a0φ·1r]+K1zrf[z1r-z03(t)-a0φ1r]+K1zrr[z1r-z04(t)+a0φ1r]=0J1φφ··1r-Cd1rfa0[z·1r-z·03(t)-a0φ·1r]+Cd1rra0[z·1r-z·04(t)+a0φ·1r]-K1zrfa0[z1r-z03(t)-a0φ1r]+K1zrra0[z1r-z04(t)+a0φ1r]=0;]]>

(2)构建高铁整车6自由度垂向振动协同优化仿真模型：

根据步骤(1)中所建立的高铁整车6自由度行驶垂向振动微分方程，利用Matlab/Simulink仿真软件，构建高铁整车6自由度垂向振动协同优化仿真模型；

(3)建立高铁二系垂向及端部纵向减振器的阻尼协同优化目标函数J：

根据步骤(2)中所建立的高铁整车6自由度垂向振动协同优化仿真模型，以前转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数、后转向架二系垂向减振器的等效阻尼系数和车体端部纵向减振器的等效阻尼系数为设计变量，以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入为输入激励，利用仿真所得到的车体浮沉运动的振动频率加权加速度均方根值及车体点头运动的振动频率加权加速度均方根值建立高铁二系垂向及端部纵向减振器的阻尼协同优化目标函数J，即：

J=σz··22+(0.4σφ··2)2;]]>

式中，振动频率加权加速度均方根值的系数1、0.4，分别为车体浮沉运动、点头运动的轴加权系数；其中，在不同频率下振动频率加权加速度均方根值的频率加权值，分别为：

wk(fi)=0.5fi∈[0.5,2]Hzfi/4fi∈(2,4]Hz1fi∈(4,12.5]Hz12.5/fifi∈(12.5,80]Hz;]]>

we(fi)=1fi∈[0.5,1]Hz1/fifi∈(1,80]Hz;]]>

(4)高铁二系垂向减振器最佳阻尼系数C_of、C_or及车体端部纵向减振器最佳阻尼系数C_o3的优化设计：

①根据车辆定距的一半a，转向架轴距的一半a₀，车辆行驶速度v，及步骤(2)中所建立的高铁整车6自由度垂向振动协同优化仿真模型，以各轮对处的轨道高低不平顺随机输入z₀₁(t)、z₀₂(t)、z₀₃(t)、z₀₄(t)为输入激励，利用优化算法求步骤(3)中所建立高铁二系垂向及端部纵向减振器的阻尼协同优化目标函数J的最小值，所对应的设计变量即为前转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数C_d2f、后转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数C_d2r和车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C₃；

其中，轨道高低不平顺随机输入之间的关系为：z04(t)=z01(t-2a+2a0v);]]>

②根据每台转向架二系垂向减振器的安装支数n₁，车体端部纵向减振器的安装支数n₂，及①步骤中优化设计所得到的前转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数C_d2f、后转向架二系垂向减振器的最佳等效阻尼系数C_d2r和车体端部纵向减振器的最佳等效阻尼系数C₃，计算得到单支前转向架二系垂向减振器、后转向架二系垂向减振器和车体端部纵向减振器的最佳阻尼系数，分别为：C_of＝C_d2f/n₁，C_or＝C_d2r/n₁，C_o3＝C₃/n₂。